DE19946628A1 - Verfahren zur Diagnose eines Schädigungszustandes eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators - Google Patents
Verfahren zur Diagnose eines Schädigungszustandes eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-SpeicherkatalysatorsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Schädigungszustandes eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO¶x¶-Speicherkatalysators, wobei eine NO¶x¶-Konzentration im Abgas durch einen stromab des NO¶x¶-Speicherkatalysators angeordneten NO¶x¶-Sensor erfaßt wird und der Verbrennungskraftmaschine Mittel zur Einstellung einer Mindestbetriebstemperatur des NO¶x¶-Speicherkatalysators zugeordnet sind, die zu einer zumindest temporären Beeinflussung einer Abgastemperatur dienen (Aufheizmaßnahme). DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß DOLLAR A (a) nach Beendigung der Aufheizmaßnahme (aus motorseitigen Maßnahmen und der Sekundärlufteinblasung) innerhalb eines vorgebbaren Diagnosezeitraumes ein Signalverlauf (16) der NO¶x¶-Konzentration von dem NO¶x¶-Sensor erfaßt wird und DOLLAR A (b) der Signalverlauf (16) der NO¶x¶-Konzentration mit einem vorgebbaren Sollverlauf (14) für die NO¶x¶-Konzentration verglichen wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Schädigungszustandes eines in
einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten
NOx-Speicherkatalysators mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Merkmalen.
Zur Reduzierung einer Emission von während eines Verbrennungsvorganges eines Luft-
Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskraftmaschine gebildeter Schadstoffe ist es
bekannt, Katalysatoren in dem Abgaskanal anzuordnen. Dabei werden Schadstoffe, die
als Reduktionsmittel dienen können, wie CO, HC oder H2, mit vorhandenem
Luftsauerstoff oxidiert. Ebenfalls während des Verbrennungsvorganges gebildetes NOx
wird an dem Katalysator mit Hilfe der Reduktionsmittel zu Stickstoff reduziert.
Befindet sich die Verbrennungskraftmaschine in einem Magerbetrieb mit λ < 1, so ist ein
Anteil der Reduktionsmittel am Abgas ebenfalls vermindert und eine vollständige
Umsetzung des NOx kann nicht mehr erfolgen. Zur Abhilfe ist dem Katalysator eine
Speicherkomponente für NOx zugeordnet, wobei beide als NOx-Speicherkatalysator
zusammengefaßt werden können. Ein solcher NOx-Speicherkatalysator kann auch
Bestandteil eines 3-Wege-Katalysators sein. Eine Absorption des NOx findet so lange
statt, bis entweder eine Katalysatortemperatur eine NOx-Desorptionstemperatur
überschreitet oder eine NOx-Speicherfähigkeit erschöpft ist. Vor diesem Zeitpunkt muß
der NOx-Speicherkatalysator regeneriert werden, indem ein Wechsel in einen
stöchiometrischen Betrieb (λ = 1) oder Fettbetrieb (λ < 1) eingeleitet wird.
Weiterhin ist bekannt, der Verbrennungskraftmaschine Mittel zuzuordnen, die es
erlauben, insbesondere nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, den
NOx-Speicherkatalysator auf eine Mindestbetriebstemperatur aufzuheizen. Erst ab der
Mindestbetriebstemperatur besitzt der NOx-Speicherkatalysator eine genügend hohe
Aktivität und NOx-Speicherfähigkeit. Derartige Aufheizmaßnahmen können
beispielsweise durch eine Anordnung einer Sekundärluftpumpe, die einen
Sauerstoffanteil im Abgas durch kontrollierte Einspeisung eines Luftvolumens erhöht,
und eine darauf abgestimmte Einstellung des motorischen Luftverhältnisses, erfolgen.
Nachfolgend wird auf diese Weise eine Abgastemperaturerhöhung infolge exothermer
Reaktionen erreicht.
Ferner ist bekannt, stromab des NOx-Speicherkatalysators einen NOx-Sensor
anzuordnen, der eine NOx-Konzentration im Abgas erfaßt. Über die NOx-Konzentration
kann dann in bekannter Weise eine Regenerationsnotwendigkeit, beispielsweise nach
dem Überschreiten einer vorgebbaren Schwellenemission, eingeleitet werden.
Während eines Betriebes des NOx-Speicherkatalysators kann eine Funktionalität des
NOx-Speicherkatalysators durch verschiedene Schädigungen beeinträchtigt werden.
Zum einen können reversible Schädigungen, wie eine Verschwefelung durch
schwefelhaltige Kraftstoffe oder eine Belegung des NOx-Speicherkatalysators durch
Ruß, mit Hilfe gezielter Regenerationsmaßnahmen wieder behoben werden. Zum
anderen treten mit zunehmender Betriebsdauer aber auch irreversible Schädigungen in
Erscheinung. So kann beispielsweise durch thermische Überbelastung ein
Aktivitätsverlust des NOx-Speicherkatalysators eintreten und damit gegebenenfalls eine
wirksame Reduktion der Schadstoffemissionen nicht mehr ermöglicht werden.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren zur Steuerung von NOx-Speicherkatalysatoren
ist es, daß derartige Schädigungszustände nur unzureichend diagnostiziert werden, weil
sie nur bei betriebswarmem Motor stattfinden. Findet eine Diagnose statt, so wird häufig
auf relativ komplexe Meßanordnungen, die zusätzliche Lambdasensoren,
Temperatursensoren und spezifische Gassensoren umfassen, zurückgegriffen. Dies
erfordert zum einen ein komplexes Auswerteverfahren, und zum anderen sind derartige
Sensoren relativ kostspielig und erhöhen somit die Fertigungskosten erheblich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das
die Diagnose des Schädigungszustandes des NOx-Speicherkatalysators in einfacher
Weise und unter Zuhilfenahme von nur einem NOx-Sensor ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Diagnose des
Schädigungszustandes des NOx-Speicherkatalysators mit den im Anspruch 1
genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß
- a) nach Beendigung der Aufheizmaßnahme (aus motorseitigen Maßnahmen und der Sekundärlufteinblasung) innerhalb eines vorgebbaren Diagnosezeitraumes ein Signalverlauf der NOx-Konzentration von dem NOx-Sensor erfaßt wird und
- b) der Signalverlauf der NOx-Konzentration mit einem vorgebbaren Sollverlauf für die NOx-Konzentration verglichen wird,
kann bereits unmittelbar nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine und dem
Aufheizen des Speicherkatalysators auf die Mindesttemperatur der Schädigungszustand
erfaßt werden.
In bevorzugter Weise wird ein Verlauf und/oder eine Größe einer Abweichung des
Signalverlaufes von dem Sollverlauf zu einem Kontrollwert zusammengefaßt.
Überschreitet dabei der Kontrollwert einen vorgebbaren Schwellenwert, so kann
gegebenenfalls ein Wartungssignal erzeugt werden (On-Board-Diagnose). Anhand des
Wartungssignales können dann zum einen entsprechende Regenerationsmaßnahmen
ergriffen werden oder zum anderen umfangreichere Wartungsmaßnahmen eingeleitet
werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Schwellenwert anhand von
Parametern, wie eine Gesamtbetriebsdauer des NOx-Speicherkatalysators, eine
Effizienz vorhergehender Regenerationsmaßnahmen, eine Fahrzeuggeschwindigkeit
oder einer aktuellen Katalysatortemperatur, festzulegen.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, das erfindungsgemäße Verfahren an
Verbrennungskraftmaschinen durchzuführen, denen eine Sekundärluftpumpe
zugeordnet ist. Die Sekundärluftpumpe dient in bekannter Weise nach dem Kaltstart der
Verbrennungskraftmaschine zur Einleitung der Aufheizmaßnahme, bei der die
Katalysatortemperatur auf die Mindestbetriebstemperatur erhöht wird. Nach der
Abschaltung der Sekundärluftpumpe wird dann die Diagnose eingeleitet.
Eine Diagnose ist erst nach dem Abschalten der Sekundärluftpumpe sinnvoll, weil ab
diesem Zeitpunkt die Gemischregelung auf λ = 1 eingestellt werden kann. Unter dem
λ = 1 geregelten Betriebsmodus setzt dann die NOx-Reduktion des Katalysators ein.
Unter diesen Betriebsbedingungen kann eine eventuell vorhandene Schädigung des
Katalysators mit Hilfe des NOx-Sensors erfaßt werden.
Die Diagnose des Schädigungszustandes wird ferner vorzugsweise innerhalb eines
vorgebbaren Temperaturbereiches für die Katalysatortemperatur durchgeführt, wobei die
Katalysatortemperatur durch geeignete Temperatursensoren erfaßt werden kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in
den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen
Zeichnung, die einen Verlauf eines Lambdawertes, einen Verlauf einer
Fahrgeschwindigkeit, einen Signalverlauf einer NOx-Konzentration und einen
vorgebbaren Sollverlauf für die NOx-Konzentration zeigt, näher erläutert.
Eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ein λ = 1 geregelter oder DI-Otto-Motor,
emittiert während eines Betriebes Schadstoffe, wie CO, HC und NOx. Einerseits können
über in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Katalysatoren
Reduktionsmittel (CO, HC, H2) mit Sauerstoff oxidiert werden, und andererseits kann mit
Hilfe der Reduktionsmittel NOx an den Katalysatoren zu Stickstoff umgesetzt werden. In
einem Magerbetrieb mit λ < 1 wird NOx als Nitrat in einem NOx-Speicherkatalysator
eingelagert, und zwar solange, bis entweder eine NOx-Desorptionstemperatur
überschritten wird oder eine NOx-Speicherfähigkeit erschöpft ist. Zur Vermeidung eines
NOx-Durchbruches wird die Verbrennungskraftmaschine vor diesem Zeitpunkt unter
stöchiometrischen oder fetten Bedingungen mit λ ≦ 1 (Regeneration) betrieben.
Nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine wird üblicherweise ein
Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine mit λ < 1 (Fettbetrieb) eingestellt (siehe
Verlauf des Lambdawertes 10), um ein schnelleres Aufheizen des NOx-
Speicherkatalysators zu erreichen. Zusätzlich wird gegebenenfalls während einer
Beschleunigung eines durch die Verbrennungskraftmaschine angetriebenen
Kraftfahrzeuges (siehe Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit 12) der Fettbetrieb
erzwungen.
Der NOx-Speicherkatalysator muß zur Gewährung einer hinreichenden
Konvertierungsrate für NOx Und NOx-Speicherfähigkeit eine Mindestbetriebstemperatur
aufweisen. Dazu sind der Verbrennungskraftmaschine Mittel zugeordnet, die
insbesondere nach einem Kaltstart eine Einstellung der Katalysatortemperatur durch
eine zumindest temporäre Beeinflussung der Abgastemperatur erlauben
(Aufheizmaßnahme während einer Phase tS). So kann durch eine Sekundärluftpumpe
ein Sauerstoffanteil am Abgas durch Einspeisung eines zusätzlichen Luftvolumens
unmittelbar nach der Verbrennungskraftmaschine erhöht werden. Befindet sich die
Verbrennungskraftmaschine im Fettbetrieb, erfolgt somit eine verlagerte exotherme
Oxidation der Reduktionsmittel direkt im oberen Abgaskanal oder gegebenenfalls an
einem vorhanden Vorkatalysator.
Nach Beendigung der Aufheizmaßnahme, beispielsweise nachdem eine
Katalysatortemperatur in einem vorgebbaren Temperaturbereich liegt, wird innerhalb
eines vorgebbaren Diagnosezeitraumes (Phase tD) über einen stromab des NOx-
Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensor der Signalverlauf 16 der NOx-
Konzentration erfaßt. Ein derartiger Signalverlauf 16 kann beispielsweise in ein
Motorsteuergerät eingelesen werden und wird mit einem dort hinterlegten vorgebbaren
Sollverlauf 14 für die NOx-Konzentration verglichen. Der Sollverlauf 14 zeigt dabei
üblicherweise den Verlauf der NOx-Konzentration eines frischen NOx-
Speicherkatalysators.
Ein Verlauf und/oder eine Größe einer Abweichung des Signalverlaufs 16 von dem
Sollverlauf 14 liefert somit ein Maß für den Schädigungszustand des NOx-
Speicherkatalysator. Der Verlauf und/oder die Größe der Abweichung können zu einem
Kontrollwert zusammengefaßt werden. Beim Überschreiten des Kontrollwertes über
einen Schwellenwert kann dann ein Wartungssignal erzeugt werden. Dabei kann der
Schwellenwert mit Hilfe von Parametern, wie einer Gesamtbetriebsdauer des
Katalysators, einer Effizienz vorhergehender Regenerationsmaßnahmen der
Fahrzeuggeschwindigkeit 12 oder der Katalysatortemperatur, festgelegt werden.
Claims (6)
1. Verfahren zur Diagnose eines Schädigungszustandes eines in einem Abgaskanal
einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysators, wobei
eine NOx-Konzentration im Abgas durch einen stromab des NOx-
Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensor erfaßt wird und der
Verbrennungskraftmaschine Mittel zur Einstellung einer Mindestbetriebstemperatur
des NOx-Speicherkatalysators zugeordnet sind, die zu einer zumindest
temporären Beeinflussung einer Abgastemperatur dienen (Aufheizmaßnahme),
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) nach Beendigung der Aufheizmaßnahme innerhalb eines vorgebbaren Diagnosezeitraumes ein Signalverlauf (16) der NOx-Konzentration von dem NOx-Sensor erfaßt wird und
- b) der Signalverlauf (16) der NOx-Konzentration mit einem vorgebbaren Sollverlauf (14) für die NOx-Konzentration verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verlauf und/oder
eine Größe einer Abweichung des Signalverlaufes (16) von dem Sollverlauf (14) zu
einem Kontrollwert zusammengefaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten
des Kontrollwertes über einen Schwellenwert ein Wartungssignal erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert
anhand von Parametern, wie einer Gesamtbetriebsdauer des NOx-
Speicherkatalysators, einer Effizienz vorhergehender Regenerations
maßnahmen, einer Fahrzeuggeschwindigkeit oder der aktuellen
Katalysatortemperatur, festgelegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Einstellung der Mindestbetriebstemperatur des NOx-
Speicherkatalysators eine Sekundärluftpumpe umfassen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Diagnose des Schädigungszustands innerhalb eines vorgebbaren
Temperaturbereiches für eine Katalysatortemperatur erfolgt.
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